Файл: Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин.pdf

Во-вторых, вследствие колебаний нормального давления зе­ рен грунта на прилегающие к ним другие зерна колеблется и действительная сила трения между ними (сила трепня пропорцнойальна нормальному давлению). При достаточной величине этого эффекта появляется дополнительная возможность вызвать смещение зерен под действием малой постоянной силы.

В-третьих, благодаря появляющимся в грунте коллоидного строения сдвиговым деформациям, вызванным вибрацией, про­ исходит разжижение грунта.

В-четвертых, вибрация вызывает проскальзывание и прижи­ мание друг к другу зерен грунта, что приводит к освобожде­ нию некоторой доли воды, адсорбированной на поверхности ча­ стиц и даже, возможно, в близком к поверхности частиц слое. В результате этого происходит обогащение грунта свободной водой, действующей как смазка.

В ряде дисперсных систем, подвергаемых деформации сдви­ га, текучесть повышается вместе с ростом скорости сдвига. Гель при достаточной скорости деформации сдвига превраща­ ется в золь. Первоначально имевшая место пластическая со­ ставляющая диссипативного сопротивления сдвигу превраща­ ется в нелинейную вязкую составляющую. Такого рода нели­ нейную вязкость, величина которой зависит от ряда факторов, в том числе и от скорости сдвига, принято называть структурной вязкостью. Структурная вязкость зависит от скорости дефор­ мации только в данный момент. Если же изменения вязкости запаздывают по отношению к изменениям скорости деформа­ ции, принято говорить не о структурной вязкости, а о тиксо­

тропии.

Ударно-вибрационное погружение возможно при отсутствии постоянной составляющей сил, приложенных к системе вибро­ возбудитель — погружаемый элемент. Возможно даже ударновибрационное движение в направлении, противоположном по­ стоянной силе, если она не слишком велика. Так, при ударно­ вибрационном извлечении движение осуществляется против действия силы тяжести. Необходимым условием ударно-вибра­ ционного извлечения является наличие сил трения погружаемо­ го элемента о грунт, больших величины постоянной силы. По существу при ударно-вибрационном погружении и выдергива­ нии движущей силой является сила трения передвигаемого эле­ мента о грунт, хотя это может показаться парадоксальным. Конечно, и в случае ударно-вибрационного погружения посто­ янная сила ускоряет процесс погружения *. Погружение осуще­ ствляется в основном за счет разрушения грунта по лобовой поверхности погружаемого элемента при передаче ему ударных импульсов, отчасти за счет явлений, рассмотренных выше. Тео­

* Ударно-вибрационное погружение беспружинным вибромолотом воз­ можно и при отсутствии силы трепня, поскольку к системе вибромолот — погружаемый элемент приложена постоянная сила тяжести.

55

ретическое описание процесса ударно-вибрационного погруже­ ния обусловливается принятой моделью процесса и, главным образом, моделью грунта.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ УДАРНО-ВИБРАЦИОННОГО БУРЕНИЯ ГРУНТОВ

Простейшая динамическая модель ударного бурения грун­ тов представлена на рис. 19. В начальный момент погружения бурового зонда, когда глубина скважины незначительна и упру-

Риг. 10. Простейшая динамическая модель удар­

гостью бурильной колонны можно пренебречь, процесс виброударного бурения может быть представлен следующим образом. По жесткому находящемуся в грунте буровому инструменту с массой ти наносятся удары ударником, имеющим массу т.\. Под воздействием удара инструмент приобретает запас кине­ тической энергии, которая расходуется на преодоление сопро­ тивлений грунта. Иными словами, для решения указанной за­ дачи привлекается теорема об изменении кинетической энер­ гии твердого тела. Введем ряд допущений.

1. Удар происходит мгновенно; изменение модуля ударной скорости определяется коэффициентом R.

2 . Связь между ударной массой и наголовником отсутствует. 3. Средняя скорость ударной части в момент удара и число

ударов предполагаются известными.

4. Буровой наконечник представляется в виде гладкой трубы.

5.. Грунт моделируется упруго-пластичной средой, в которой первоначально преодолеваются упругие, а затем пластические сопротивления; упругие деформации после каждого удара вос­ станавливаются, а остаточные (пластические) не восстапавлп-

56

ваются; их накопление и обеспечивает углубление наконечника в грунт.

6. Энергия упругих деформаций полностью рассеивается.

7. Перед каждым последующим ударом наковальня (наго­ ловник) находится в покое.

8. Процесс бурения представляется как накопление остаточ­ ных деформаций грунта от каждого удара.

Используемая модель грунта является простейшей. Сущест­ вует множество механических моделей грунта, каждая из кото­ рых более или менее полно описывает реологические и другие свойства отдельных его типов. Надлежащим выбором парамет­ ров модели можно добиться совпадения теоретических и эк­ спериментальных результатов. Однако в практике бурения скважин могут встретиться самые разнообразные типы грунтов. Разрабатывать и использовать при практических расчетах для каждого типа свою механическую модель нецелесообразно, по­ скольку даже при бурении одной скважины может встретиться несколько типов грунтов. В этом случае вполне справедливым является использование наиболее простой модели грунта, при­ годной (в большей или меньшей степени) для большинства ти­ пов грунтов. Естественно, что любой прогноз, основанный на этой модели, будет недостаточно точным, однако, если ока­ жется возможным прогнозировать эту точность (например, с привлечением вероятностно-статистических методов), такой прогноз может оказаться вполне информативным для решения ряда практических задач.

При использовании упруго-пластической модели грунта учи­ тывалось, что грунт не является идеально упругой средой. Пре­ дел упругости грунтов ничтожно мал, т. е. даже при весьма небольших нагрузках многие грунты будут давать кроме упру­ гих и остаточные деформации. Помимо этого, обратимые упру­ гие деформации в грунте всегда значительно меньше пластиче­ ских. Поэтому в дальнейшем под упругими деформациями бу­ дем понимать не те идеально обратимые деформации, после которых наступают остаточные, а те деформации, которые ре­ ально имеют место в процессе внедрения наконечника в грунт и сопутствуют остаточным.

Упруго-пластическая модель грунта в строительной практике является общепринятой. Она используется при расчетах свай­ ных и других оснований сооружений. Нормативными характери­ стиками грунтов в этих случаях являются сопротивления по лобовой и боковой поверхностям свай, модуль деформации, удельное сопротивление разрушению и т. д. Распространен­ ность модели объясняется ее универсальностью, т. е. возмож­ ностью описания с ее помощью большинства разновидностей глинистых грунтов. Эта модель позволяет с удовлетворительной точностью описать и процесс ударно-вибрационного бурения грунтов.

57

Очевидно, что при известной величине углубления инстру­ мента за одни удар /г и числе ударов в единицу времени /гу ско­ рость щ, погружения наконечника (зонда) определится по фор­ муле

Выражение (115) справедливо только для случая, когда, энергии удара достаточно для внедрения наконечника в грунт. При отсутствии внедрения второй член правой части выражения (115) будет равен нулю. Сила F может рассматриваться как сумма бокового Fr, и лобового F сопротивлений

выражение для величины остаточного перемещения инструмен­ та за один удар: , •,

58

зависит от площади сцепления грунта с буровым наконечником и коэффициента сцепления. При погружении свай удартю-ви- брациониыми машинами коэффициент увеличения массы сваи принимается от 1 до 2 в зависимости от свойств пород. По­ скольку буровой зонд имеет малую длину по сравнению с бу­

Скорость движения ударной части ѵу для пружинного вибро­ молота, работающего в оптимальном режиме при нулевом за­ зоре, может быть определена по формуле (43).

Скорость удара различных свободно падающих ударников

где Ао' — высота падения ударника.

Действительный (в отличие от приведенного) коэффициент восстановления скорости R для удара закаленной стали может быть принят равным 0,3—0,5. Значения параметров /„ и Ru в -ориентировочных расчетах могут быть приняты равными нор­ мативным сопротивлениям грунта у оснований п по боковой поверхности свай [73]. Площадь лобового сопротивления 5 Л в

с породой (по наружной и внутренней поверхностям наконеч­ ника) . . у ’

59